Atmosphäre oder keine Atmosphäre? Die Frage, die Astronomen verwirrt! 🪐

Das TRAPPIST-1-System, faszinierend durch seine sieben erdgroßen Gesteinsplaneten, von denen drei in der habitablen Zone liegen, bietet eine einzigartige Gelegenheit, die Atmosphären von Exoplaneten zu untersuchen.

Das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) spielt eine Schlüsselrolle, da es die thermische Emission dieser temperierten Planeten messen kann. Eine erste Beobachtungskampagne bei λ=15 µm hatte eine Temperatur von 503 K auf der Tagseite des Planeten TRAPPIST-1 b offenbart, was auf das Fehlen einer Atmosphäre und eine sehr dunkle Oberfläche hindeutete.

Basierend auf den Beobachtungen einer zweiten Kampagne bei λ=12,8 µm hat diese neue Studie, die vom Fachbereich Astrophysik des IRFU des CEA Paris-Saclay durchgeführt wurde, jedoch eine deutlich niedrigere Temperatur gemessen als im vorherigen Szenario erwartet, was die Forscher dazu zwingt, neue Ansätze zu erkunden.



Unter den in Betracht gezogenen Hypothesen ist eine CO?-reiche Atmosphäre mit Dunst eine Möglichkeit, obwohl ein Szenario mit einer ultramafischen vulkanischen Oberfläche wahrscheinlicher erscheint. Um dieses Rätsel zu lösen, wurde eine neue Beobachtungsphase gestartet, die darauf abzielt, den Lichtfluss des Planeten während seiner gesamten Umlaufbahn zu verfolgen.

Dieses Ergebnis wurde in der renommierten Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht: "Combined analysis of the 12.8 and 15 μm JWST/MIRI eclipse observations of TRAPPIST-1 b"

TRAPPIST-1: Ein ideales Labor zur Erforschung der Atmosphären von Gesteinsplaneten

Das TRAPPIST-1-System zeichnet sich durch seinen ultrakalten Zwergstern aus, der von sieben erdgroßen Gesteinsplaneten umgeben ist, von denen drei in der habitablen Zone liegen. Dies bietet eine außergewöhnliche wissenschaftliche Gelegenheit zur Erforschung von Exoplaneten und Atmosphären. Daher ist dieses System ein bevorzugtes Ziel für das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST), dessen infrarote spektroskopische Fähigkeiten die detaillierte Untersuchung solcher Planeten ermöglichen.

Insbesondere kann das JWST die von einem Planeten abgegebene Wärme direkt messen, indem es den Lichtfluss des Sterns während einer Okkultation – dem Moment, in dem der Planet hinter dem Stern verschwindet – mit dem kurz vor und nach diesem Ereignis beobachteten Fluss vergleicht (siehe Abbildung 2). Diese Methode ermöglicht es, die infrarote Strahlung der beleuchteten Seite (Tagseite) des Planeten abzuleiten, während stellare Verunreinigungen vermieden werden, die Messungen in anderen Konfigurationen, wie z. B. bei Transits, erschweren können.


"Die thermische Emission hat sich schnell zur bevorzugten Methode entwickelt, um Gesteinsplaneten um M-Zwerge in den ersten beiden Jahren des JWST zu untersuchen", erklärt Pierre-Olivier Lagage, Mitautor der Studie und Leiter des Fachbereichs Astrophysik am CEA. "Bei den Planeten von TRAPPIST-1 stammen die ersten Informationen aus Emissionsmessungen, da es schwierig bleibt, atmosphärische und stellare Signale während eines Transits zu unterscheiden."


Zwei Beobachtungskampagnen mit dem JWST wurden durchgeführt, um den Planeten TRAPPIST-1 b zu untersuchen, da er als der dem Wirtsstern am nächsten gelegene Planet mehr Infrarotstrahlung abgibt als die anderen Planeten des Systems. Diese Beobachtungen wurden mit dem MIRIm-Imager durchgeführt, der am CEA Paris-Saclay entwickelt wurde, unter Verwendung sorgfältig ausgewählter Filter, um das Vorhandensein von Kohlendioxid (CO?) zu erkennen und dessen Gehalt zu messen.

Die erste Kampagne, die 2023 von einem NASA-Team in Zusammenarbeit mit dem Fachbereich Astrophysik des IRFU am CEA Paris-Saclay durchgeführt wurde, verwendete einen Filter, der auf λ=15 µm zentriert war. Diese Beobachtungen ergaben, dass die Tagseite von TRAPPIST-1 b eine Temperatur von etwa 503 K (+/- 26 K) aufweist, was die allererste direkte Temperaturmessung eines temperierten Gesteinsplaneten in der Geschichte der Exoplanetenforschung darstellt.

Bei einer solchen Temperatur schlugen die Wissenschaftler vor, dass TRAPPIST-1 b eher eine "nackte, dunkle Oberfläche" haben könnte, was bedeutet, dass der Planet keine Atmosphäre besitzt und seine Oberfläche fast das gesamte einfallende Sternenlicht absorbiert (Greene et al., 2023). Diese Hypothese basiert auf der Tatsache, dass CO? bei dieser Wellenlänge stark absorbiert; eine CO?-reiche Atmosphäre hätte den beobachteten Fluss erheblich reduziert. Eine einzelne Messung bei einer Wellenlänge reicht jedoch nicht aus, um alle möglichen atmosphärischen Szenarien auszuschließen.

Nackte Oberfläche oder komplexe Atmosphäre?

Diese neue Studie, die von einem Team des CEA Paris-Saclay durchgeführt wurde, ergänzt die vorherigen Beobachtungen, indem diesmal der Fluss von TRAPPIST-1 b bei 12,8 Mikrometern gemessen wurde, einem zweiten Absorptionsband, das für CO? charakteristisch ist. Während das ursprüngliche Szenario einer "nackten, dunklen Oberfläche" von Greene et al. (2023) eine Temperatur von etwa 227 °C bei dieser Wellenlänge vorhersagte, maßen die Forscher eine deutlich niedrigere Temperatur von 150 °C. Dieses Ergebnis widerlegt das vorherige Szenario, das auf den Beobachtungen bei 15 Mikrometern basierte, und zwingt die Forscher, andere Modelle für die Oberfläche und Atmosphäre zu erkunden. Zwei neue Szenarien scheinen sich abzuzeichnen (siehe Abbildung 3):

- Szenario "nackte ultramafische Oberfläche": TRAPPIST-1 b hätte keine Atmosphäre, aber seine Oberfläche würde aus ultramafischen Gesteinen bestehen, vulkanischen Gesteinen, die reich an Mineralien sind und bei 12,8 Mikrometern weniger Licht emittieren als eine klassische dunkle Oberfläche. Dieses Ergebnis deutet auf möglichen Vulkanismus hin, da ohne diesen Prozess, der neues Gestein schafft, die Gesteine schnell durch die Aktivität des Sterns verändert und geschwärzt würden.

- Szenario "CO?-reiche Dunstatmosphäre": TRAPPIST-1 b hätte eine CO?-reiche Atmosphäre mit dichten Dunstschichten, die aus winzigen Partikeln oder Tröpfchen bestehen, die durch chemische Reaktionen im Zusammenhang mit vulkanischer Aktivität oder Sonnenstrahlung entstehen. Diese Dunstschichten würden das Sternenlicht absorbieren und eine Erwärmung der oberen Atmosphärenschichten verursachen, wodurch eine Temperaturumkehr entsteht, bei der die Temperatur mit der Höhe zunimmt. Dieses Phänomen, ähnlich dem der irdischen Stratosphäre – obwohl hier mit CO? und nicht mit Ozon verbunden – würde eine höhere Emission bei 15 Mikrometern im Vergleich zu 12,8 Mikrometern erklären, ein Verhalten, das im Vergleich zu CO? auf der Erde oder Venus unerwartet ist.

Obwohl Dunst bereits dafür bekannt ist, die Temperatur und das atmosphärische Erscheinungsbild zu beeinflussen, wie auf Titan, bleibt seine Auswirkung auf TRAPPIST-1 b überraschend. Die Autoren halten das Szenario einer "nackten ultramafischen Oberfläche" jedoch für wahrscheinlicher, aufgrund der Komplexität und der Unsicherheiten, die mit der Bildung solcher Dunstschichten verbunden sind.

"Wir waren überrascht, eine deutlich niedrigere Temperatur zu messen als erwartet. Wir dachten, der Fall von TRAPPIST-1 b sei abgeschlossen, aber diese neue Wellenlänge erinnert uns an all die Unklarheiten, die bei der Beschreibung eines Planeten aus diskreten Beobachtungen bestehen", betont Elsa Ducrot, Forscherin am Fachbereich Astrophysik des CEA und Hauptautorin dieser Studie. "Darüber hinaus hat diese Messung unsere Neugier geweckt und uns ermöglicht, ein atmosphärisches Szenario mit bisher unbekannten Dunstschichten vorzuschlagen, das mit den Daten übereinstimmt. Obwohl es weniger wahrscheinlich erscheint, ist es sehr interessant, dass die wissenschaftliche Gemeinschaft es bei der Interpretation zukünftiger Beobachtungen von Gesteinsplaneten berücksichtigen kann."

Wie lässt sich das Rätsel lösen?

Diese neue Studie unterstreicht die Herausforderungen, die mit der endgültigen Bestimmung der Anwesenheit einer Atmosphäre auf einem Planeten verbunden sind, wenn man sich nur auf thermische Emissionsmessungen während Okkultationen stützt. Um das Rätsel der Anwesenheit einer Atmosphäre auf TRAPPIST-1 b endgültig zu lösen, haben die Forscher eine neue Beobachtungskampagne mit dem JWST initiiert, die darauf abzielt, den Fluss des Planeten während seiner gesamten Umlaufbahn zu messen und nicht nur seine Tagseite (siehe Abbildung 4).


Ergänzt durch komplexe 3D-Atmosphärensimulationen ist diese Methode, obwohl sie zeitaufwendig ist, entscheidend, um die Existenz oder das Fehlen einer Atmosphäre um TRAPPIST-1 b zu klären.

"Wenn eine Atmosphäre vorhanden ist, wird die Wärme von der Tagseite zur Nachtseite des Planeten umverteilt. Ohne Atmosphäre wird diese Umverteilung minimal sein", erklärt Michaël Gillon von der Universität Lüttich, Mitautor dieser Studie.

Diese Antworten könnten eine neue Ära in der Erforschung der Atmosphären von Gesteinsplaneten einläuten.

Quelle: CEA IRFU